• 直流微電網中靈活電力流的新拓撲結構。

• 基于SiC和GaN的新型電源開關，用于電動汽車（EV）中的緊湊高頻開關。

• 磁性和被動集成的新創新，旨在減少服務器機架深層的損耗。

用于直流微電網的不同直流-直流電源變換器

隨著越來越多的太陽能、風能及其他可再生能源以及儲能系統（ESS）接入電網，甚至更多本地化的直流微電網，將這些電網從一個地點轉換到另一個地方的電力電子設備正面臨壓力。

一種潛在的解決方案是三有源橋（TAB）直流-直流轉換器。該拓撲是雙主動橋（DAB）的擴展，能夠在保持高效率的同時管理多種不同的功率流。圖1展示了使用標準雙端口直流直流變換器實現的直流微電網。它只將一個直流單元連接到一個與電網的直流-直流轉換器，而TAB的直流-直流轉換器可以同時連接到多個能源源，簡化設計和機械集成。

1. 配備傳統雙端口直流/直流轉換器的直流微電網系統（a）;一種帶有三端口直流/直流轉換器的直流微電網系統（b）。

重要的是，TAB支持雙向電力流動，所有端口通過變壓器磁耦合。變壓器不僅提供所需的電隔離，還通過每個端口的匝比幫助調節不同的電壓水平。

TAB拓撲之所以流行，是因為它能夠減小用于儲能的大型復雜直流變流器尺寸。它還可以利用零電壓開關（ZVS），這對于在更高頻率下工作至關重要。

然而，也有一些缺點：儲能端口通常連接到大型電池單元，即使未使用，也不可避免地會有循環電流。這是由于TAB變換器的結構，降低了能量轉換效率。

下一個問題是當一個端口的功率變化影響TAB轉換器中的另一個端口時。當瞬變發生時，會導致無關端口產生不必要的功率，因為每個端口功率均為?12和? 13的函數，具體參數為公式1、2和3：

另一個需要注意的是，直流-直流轉換器需要一個功率耦合控制，以消除端口之間的功率相關性。此外，這種方法即使未使用ESS端口，也會在ESS端口內感應出環路電流。這將導致控制的復雜性。

基于氮化鎵的直流-直流轉換器提升電動汽車功率密度

雙向直流-直流轉換器也被用于電動汽車中，因為高功率密度和高效率是不可妥協的。它們用于將高壓電池組與引擎蓋下的所有其他系統（包括牽引逆變器的高壓直流總線）連接起來。

雙向直流-直流轉換器作為能量調節器，不僅將電池電流傳遞給電動車其他部分，還能在再生制動時將回收的能量傳遞到電池中。

由于不同類型電池的輸出電壓可能不穩定，需要DC-DC轉換器臨時儲存能量，并將不穩定的電壓供給提升到更高且穩定的水平，以滿足電動汽車的電力需求。因此，直流母線電壓不受電池電壓變化影響，使電機和逆變器都能實現最佳設計（見圖2）。

2. 雙向直流-直流轉換器拓撲結構（a）;這是雙向DC-DC轉換器的三維模型，這是最常見的拓撲結構（b）。

氮化鎵（GaN）在這些直流-直流轉換器中起著關鍵作用，可用于提升系統層面的功率密度和效率。氮化鎵功率場效應晶體管（GANT）可在非常快的切換頻率下工作，頻率可提升至100 kHz以上，甚至在某些情況下超過1 MHz。這使得即使在硬開關拓撲條件下也能實現極低的開關損耗，減少系統功率損耗并最小化熱量。

使用氮化鎵功率場效應晶體管（DFET），直流-直流轉換器通常可以使用被動冷卻，從而降低系統整體成本和面積。GaN還有助于簡化變換器的設計和機械集成。因此，直流-直流轉換器可以靈活地安裝在車輛內，減輕制造商的工作負擔。

此外，氮化鎵使得轉換器功率可提升至千瓦，提升功率密度——同時具備超過90%的典型效率和相較液冷轉換器的熱量提升。

在兩相配置中，直流-直流變換器的相可以組合以最大化輸出功率。也可以在部分負載條件下關閉一相，并在兩相之間交錯切換頻率。通過串聯交換兩相輸入，直流-直流轉換器可用于實現800伏架構，而不超過氮化鎵場效應管的最大阻斷電壓。

由于電動汽車及其他系統空間有限，功率密度是這些雙向直流變流器最重要的指標之一。另一個要求是高效率。被動元件如電容和電感會限制總功率密度。此外，這些電梯還經常導致電力損失。影響系統中被動元件總體積的因素包括：

• 切換頻率：通過提高開關頻率，無源元件體積會減少，但開關頻率會受限于所需的效率。

• 濾波器電感：小濾波器可能導致電感器尺寸變小。然而，需要大型濾波電容來濾除高電流的紋波。

根據圖3所示的無源元件和圖4中的功率轉換效率，我們可以看到當開關頻率高于20 kHz時，無源元件體積幾乎不會隨著頻率的增加而減少。然而，電力變換器的效率將顯著降低。因此，你需要密切關注功率密度和效率之間的權衡。

3. 不同開關頻率下無源元件的估計體積。

4. 不同電池電壓與切換頻率下的理論效率（V總線 = 600 V，P = 40 kW）。

集成磁性元件的單級 48V 轉 1V 直流 - 直流轉換器

為電路板及系統級芯片（SoC）提供大電流的直流 - 直流轉換器，同樣在快速發展。

在數據中心領域，單級直流 - 直流轉換器的應用越來越廣泛，其優勢在于能夠減少電壓轉換的級數。例如，美國弗吉尼亞理工大學電力電子系統研究中心（CPES）設計的一款氮化鎵基非穩壓直流 - 直流轉換器，可直接將 48V 母線電壓降至 1V。該轉換器采用印刷電路板繞組電感集成磁性元件，這款高效降壓轉換器在精準穩壓的同時，可為負載提供大功率輸出。

人工智能技術的快速普及，推動了美國數據中心需求的爆發式增長。麥肯錫的預測數據顯示，為支撐當前的技術發展速度，到本十年末，數據中心的電力需求將增長至目前的近 3 倍。這意味著，美國數據中心的能耗占比將從當前的 3%~4%，攀升至 2030 年的 11%~12%。

現代數據中心的電力架構通常采用 48V 母線，相比前代的 12V 母線，48V 母線能有效降低電阻損耗（見圖 5）。傳統方案中，48V 母線電壓需要先降至 12V，再進一步降至系統級芯片所需的核心電壓（通常低于 1V）。

5. 數據中心配電系統：傳統交流配電（a）;直流配電采用48伏母線（b）。

傳統的每一級電壓轉換都需要配備獨立的功率轉換器，而每一級轉換都會產生能量損耗，累計損耗甚至超過 10%。這些損耗最終會轉化為熱量，需要通過散熱系統排出。

如果采用弗吉尼亞理工大學電力電子系統研究中心研發的 48V 轉 1V LCC 轉換器這類單級高效轉換器，數據中心有望大幅降低能量損耗，同時簡化系統復雜度。

歸根結底，從電網（或微電網）到驅動電動汽車、人工智能數據中心的系統級芯片，各領域對更高功率密度與效率的需求將持續攀升，這也將推動直流 - 直流轉換器技術不斷迭代升級。